Kako vemo, koliko so zvezde stare

Doslej najstarejša zvezda v Galaksiji, ki so ji astronomi določili starost, ima trinajst milijard let in pol.
Objavljeno
25. september 2017 19.00
Maruša Žerjal
Maruša Žerjal
Ocena starosti zvezd ni ključna le za študij evolucije zvezd samih, ampak igra znatno vlogo tudi drugje. Veliko vprašanje galaktične arheologije sta nastanek in evolucija Galaksije.

Zvezde v galaktičnih diskih ne nastanejo vse naenkrat, zato je ugotavljanje njihove starosti ključno za rekonstrukcijo obdobij rojevanja novih zvezd. Pomembna, morda za javnost najbolj zanimiva tematika pa je povezana s starostjo eksoplanetov, ki krožijo okoli oddaljenih zvezd.

Danes poznamo že skoraj tri tisoč potrjenih planetov, astronomi pa se poleg odkrivanja posvečajo tudi njihovim atmosferskim lastnostim ter možnosti obstoja tekoče vode na površju. Planeti so zelo majhni v primerjavi z njihovimi sonci, poleg tega pa še zelo daleč, zato je neposredno opazovanje večinoma nemogoče. Ker pa celotno osončje nastane nenadoma, v relativno kratkem času, je starost planetov enaka starosti zvezde.

In najstarejša je ...

Čeprav se nam zdi, da zvezde živijo večno, so njihove življenjske dobe in starosti zelo različne. Doslej najstarejša zvezda v Galaksiji, ki so ji astronomi določili starost, ima trinajst milijard let in pol. Nastala je, ko je bilo vesolje staro le 300 milijonov let. Kljub izjemni starosti pa to ni najstarejša zvezda v vesolju, saj vsebuje kovine, nastale v eksploziji zvezde, ki je živela še bolj zgodaj.

Hitrost staranja zvezd je odvisna od njihove mase. Zvezde s tridesetimi masami Sonca imajo na voljo le nekaj milijonov let, preden porabijo ves vodik v jedru in preidejo v zadnje evolucijske faze. Sonce je s 4,5 milijarde let na sredi življenja, dočakalo bo okoli deset milijard let. Življenjska doba najmanj masivnih zvezd pa je občutno daljša. Če je masa zvezde le desetinka Sončeve, bo živela nekaj bilijonov let. Tako starih zvezd za zdaj seveda ni, saj ima vesolje »šele« 13,8 milijarde let.

Kako zvezda umira

Sonce je edina zvezda, katere starost natančno poznamo. Najstarejši meteorit, ki je bil najden na Zemlji, je star 4,5 milijarde let. Njegova starost je bila ocenjena s pomočjo radioaktivnega datiranja izotopov in je zelo zanesljiva in natančna.

Kot omenjeno, pa so očitni znaki staranja pri zvezdah večino življenja skriti. Šele ko zvezda v jedru porabi ves vodik, se preostanek življenja odvije zelo hitro. Njen radij se napihne, atmosferska temperatura pa zmanjša. Zvezda postane rdeča in hladna orjakinja, ko doseže približno 90 odstotkov življenjske dobe. Njena končna usoda je spet odvisna od mase.

Soncu podobne zvezde odpihnejo zunanje ovojnice in postanejo bele pritlikavke, tiste bolj masivne pa eksplodirajo kot supernove ali končajo celo kot črne luknje. Takšen scenarij velja za posamezne zvezde. V primeru, ko živijo v gravitacijsko vezanih parih, takih je kar precej, pa njihovo življenje lahko poteka drugače.

Kaj o starosti sporočajo potresi

Zvezde v galaksijah niso nastale vse naenkrat, ampak postopoma v več izbruhih rojevanja novih zvezd. Ker ima naša Galaksija na voljo dovolj plina, se zvezde v njej še vedno rojevajo. V povprečju nastane približno ena zvezda Sončeve mase na leto.

Zvezde pa nikoli ne nastanejo same, ampak sočasno v večji skupini. Sorojenke imajo enako starost. Ker bolj masivne sestre najhitreje porabijo vodik in pokažejo svoja leta, lahko prek njih sklepamo na starost celotne družine. Problem se pojavi, ko družina prostorsko razpade. To se zgodi kmalu po nastanku zaradi gravitacijskega vpliva okoliških zvezd. Pri oceni starosti posameznih zvezd, ki še niso orjakinje, si zato pomagamo z drugimi metodami.

Ena izmed najbolj uporabnih in natančnih metod ocenjevanja starosti je astroseizmologija, ki je uporabna predvsem pri starejših zvezdah. Podobno kot v Zemlji namreč tudi v notranjosti zvezd nastajajo potresi. Takrat se njihova svetlost periodično spreminja. Spremembe so zelo majhne in merljive le iz vesolja; teleskop Kepler je zato povzročil pravo revolucijo na tem področju. Lastnosti potresov so odvisne od notranje zgradbe, ki se s časom zaradi porabljanja vodika in nastajanja težjih elementov spreminja.

Mlada kopica Plejade, ki jo pri nas poznamo tudi pod imenom Gostosevci. Stara je približno sto milijonov let. Avtor: Antonio Fernandez-Sanchez

Na srečo pri mladih Soncu podobnih zvezdah obstajajo pojavi v atmosferi, ki vseeno izdajajo njihova leta, in sicer že takoj v mladih fazah. Pojavi so povezani z magnetnim poljem, ki ga generira konvekcijska ovojnica pod površjem. Ciklična magnetna aktivnost v atmosferi povzroča različne pojave, vse od peg do izbruhov. Zaradi vetrov, ki odnašajo material, se zvezda okoli lastne osi vrti vedno počasneje, zato se notranja dinamika spreminja. Hkrati slabi magnetno polje in s tem tudi aktivnost.

Če vidimo litij, je mlada

Čeprav so na nekaj oddaljenih zvezdah že opazili pege, pa je večina predaleč, da bi jih lahko zaznali. V nekaj spektralnih črtah se izbruhi kljub temu pokažejo in nam tako pomagajo pri oceni starosti. Magnetna polja se zaradi kompleksnosti ne upoštevajo v običajnih modelih zvezd, ki se uporabljajo pri velikih pregledih neba. Od tod izvira trditev, da se videz zvezde večino življenja ne spreminja. Kljub temu pa vidimo, da to ni čisto res. V zadnjem desetletju se je s prihodom velikih pregledov neba pokazalo, da je zvezd z magnetno aktivnostjo relativno veliko, saj so Soncu podobne in manj masivne zvezde v vesolju najpogostejše. Pri tem je razveseljivo dejstvo, da je iskanje Zemlji podobnih planetov okoli takih zvezd najlažje.

Izkazalo se je, da je za določanje starosti najmlajših zvezd primerna rdeča litijeva spektralna črta. Ko se namreč rojevajo zvezde z majhno maso, so v celoti konvekcijske. Medtem ko se v središču postopoma vžiga vodik, se v jedrskih reakcijah porablja tudi litij, ki je v plinu prisoten že od samega začetka. Ker je zvezda v celoti konvekcijska, se material iz atmosfere neprestano meša s tistim v jedru in vanj prinaša litij. Prisotnost litija v spektru torej kaže na zelo majhno starost, saj še ni preteklo dovolj časa, da bi se porabil. Zmanjka ga približno takrat, ko se vodik popolnoma vžge.

Kompleksna pega, ki je nastala na površju Sonca. Magnetna aktivnost v atmosferah mladih zvezd povzroča pojave, ki s staranjem slabijo. Vir: The Sun Today

Kljub napredku lahko starosti zvezd večinoma še vedno ocenimo le na nekaj deset odstotkov natančno. Najlažje je določanje starosti starejših, vendar nujno potrebujemo tudi podatke za mlajše zvezde. Še vedno namreč ni jasno, kaj se dogaja z zvezdami, mlajšimi od nekaj deset milijonov let, uganka so tudi zelo stare zvezde. Poleg tega se je izkazalo, da so nekatere mlade kopice sestavljene iz več različno starih populacij, kar je precejšnje presenečenje.

Detektivsko delo bo v prihodnjih letih nadaljeval vesoljski teleskop James Webb, prihaja pa tudi FunnelWeb, ki se bo med drugim osredotočil na iskanje bližnjih mladih zvezd. Še pred tem pa bo prihodnje leto naslednja objava podatkov satelita Gaia temeljito spremenila večino področij astronomije, tudi ocenjevanje starosti.

***

Maruša Žerjal je je doktorirala iz astrofizike na Fakulteti za matematiko in fiziko, sedaj pa je zaposlena na Avstralski nacionalni univerzi. Dela kot podoktorska raziskovalka na observatoriju Mount Stromlo v Canberri. Poleg tega je tudi sodelavka Portala v vesolje.